说说结构的包络设计方法

17BuildingStructure设计交流Welearnwego说说结构的包络设计方法朱炳寅/中国建筑设计研究院实际工程要求结构设计人员具备清晰的结构概念和丰富的工程经验，能以最基本的结构理念解决最复杂的工程问题，寻求以最低代价解决复杂工程问题的简单、有效的方法。包络设计法就是对工程中可能出现的情况分别计算，取不利值设计。注意：这里指的是“可能出现”的情况，不是任意夸大，要有必要的分析和判断。要做好结构的包络设计工作必须注重结构概念设计，注重工程经验的积累。包络设计方法可以是对构件、局部区域的包络设计，也可以是对整个结构的包络设计等。应根据工程的实际情况灵活掌握。针对不同情况，可以采用不同的包络设计原则。包络设计方法是结构设计中解决复杂问题的基本方法，合理使用包络设计方法，对解决工程设计中的疑难问题大有益处，应引起每位结构设计者的重视。1对结构的包络设计（1）结构体系是影响结构设计的重要因素，而影响结构体系的因素很多，以钢筋混凝土结构为例，剪力墙的多少直接影响到结构体系。如：在少量剪力墙的框架结构中，对框架需要按框架与剪力墙协同工作及纯框架结构分别计算，包络设计（取不利值设计）（图1）。其根本原因在于，在风荷载及多遇地震作用下，结构基本处于弹性阶段，剪力墙虽然数量不多，但由于其自身侧向刚度很大，仍具有很大的抗侧作用，此时框架与剪力墙协同工作，可以把少量剪力墙的框架结构看作和一般框架-剪力墙结构一样，需要按框架-剪力墙结构进行分析计算。而在设防烈度地震及罕遇地震作用下，剪力墙裂缝开展，刚度急剧退化，还由于剪力墙数量很少，根本不可能成为第一道防线（注意：有设计人员认为“在少量剪力墙的框架结构中剪力墙可作为第二道防线”，这是错误的。在剪力墙足够多时成为第一道防线，而当剪力墙较少时则不能成为第一道防线。剪力墙具有侧向刚度大的特点，其不可能成为第二道防线），剪力墙所承担的地震作用迅速转嫁给框架结构，此时，少量剪力墙的框架结构可以看作纯框架结构，需要按框架结构进行分析，并应验算纯框架结构在罕遇地震作用下的弹塑性位移（即大震位移）。上述依据“小震不坏”(含风荷载影响）、“大震不倒”的抗震设计基本要求，围绕着风荷载和多遇地震作用及罕遇地震展开的分阶段计算分析，就是结构包络设计的重要内容，解决在不同情况下结构体系的变化所带来的设计难题。（2）剧场类框架结构，由于其观众厅及舞台一般比较空旷，而周边框架及附属用房等结构相对刚度较大（图2），当考虑不同框架的协同工作（或采用空间分析程序计算，但对楼板刚度的模拟不准确）时，观众厅及舞台的框架实际分摊的地震作用很小，出现“偷懒”现象。为此，可采用空间分析程序，按弹性楼板模型进行复核计算。或采用平面杆系模型的计算程序，将其中的大跨框架单独比较计算（图2中，除周边框架和台口框架外，其他框架均应进行补充计算，可采用PK程序对平面中具有“偷懒”可能的框架进行剖切计算），并对其进行包络设计。（a）框架与剪力墙协同计算（b）纯框架计算图1少量剪力墙的框架结构的包络设计图2空旷结构的包络设计（3）对结构的包络设计还远不止上述的少量剪力墙的框架结构及剧场类框架结构，举例如下：1）少量框架的剪力墙结构：①在整体分析时不考虑框架柱的作用，即将框架柱按特殊构件处理，对其EI充小数，而EA不变，以确定剪力墙及连梁的配筋，按纯剪力墙结构确定剪力墙的抗震等级；②框架柱设计时，可按框架-剪力墙结构计算，并确定框架柱的配筋。对框架柱可不进行剪力调整，框架及剪力墙取①确定的抗震等级。2）带小裙房的剪力墙住宅：①剪力墙设计时，不考虑小裙房的作用，将裙房部分的重力荷载代表值向剪力墙住宅的相应楼层凝聚，按纯剪力墙结构计算并确定相应的抗震等18设计交流BuildingStructureWelearnwego级；②小裙房设计时，按框架-剪力墙结构计算，裙房的抗震等级按裙房高度的纯框架结构确定，剪力墙取①确定的抗震等级。3）单榀框架结构：按平面框架进行单榀框架补充计算。2对重要部位的包络设计（1）对结构重要部位的包络设计是结构设计中常见的包络设计方法，主要根据结构部位的受力复杂程度，对其可能出现的各种情况分别进行分析，取不利值设计。如：设置下沉式庭院的结构，由于地下室顶板大开洞而不能作为上部结构的嵌固部位（图3），嵌固端下移至地下一层地面时，应结合工程的具体情况，考虑地下室顶板对上部结构实际存在的嵌固作用（受地下室周边挡土墙及墙外填土的影响），将地下室顶板及地下一层地面分别作为上部结构的嵌固端，进行相应的分析计算，并取不利值包络设计（地下一层及地下二层的抗震等级同地上一层。地下一层的墙及柱的配筋不小于首层，地下一层地面应满足《抗震规范》第6.1.14条的要求。地下室顶板除厚度可适当降低至不小于160mm外，配筋应满足《抗震规范》第6.1.14条的要求，地下室顶板层梁可不满足嵌固部位的要求）。图3上部结构根部的包络设计（2）结构设计中需要进行包络设计的部位还有很多，如转换结构的转换层（进行整体分析计算及对转换构件的单独分析）、带弱连接体的连体结构（按连体结构进行整体协同分析，并考虑连体失效后两侧塔楼结构的独立工作）等。3对构件的包络设计（1）对构件的包络设计是结构设计中最基本的包络设计方法，主要根据构件的受力情况，对其进行补充分析验算，取不利值进行设计，用来解决复杂受力构件的结构设计问题。如：结构设计中经常遇到的主梁端支座与剪力墙平面外连接的问题（图4），受剪力墙平面外抗弯刚度及主梁抗弯刚度的影响，梁与剪力墙平面外的连接既非刚接也非铰接而属于弹性连接，结构计算中对主梁端支座情况的模拟困难（虽可以采取相应程序进行复杂分析，但费时费工，只有在科研活动中才有可能采用），常可根据工程具体情况，采用按刚接和铰接分别计算，对主梁端跨底部包络设计，对主梁端按弹性支座进行合理配筋（采用细而密的纵向钢筋，以满足梁端纵向钢筋的最小配筋率及受力锚固要求，同时，梁端应配置足够的抗剪箍筋，确保梁端强剪弱弯）。（2）采用空间结构模型计算时，主梁悬臂和次梁悬臂的计算差异较大，这是由悬臂梁根部的竖向变形不同造成的。因此，当悬臂较大时，次梁实际分担的竖向荷载较小，应注意对次梁悬臂按竖向导荷确定的荷载值计算，必要时可手算或PK程序进行补充验算，并对其进行包络设计，以弥补采用空间结构模型计算时次梁悬臂承载力的不足（图5）。图4主梁与剪力墙平面外连接图5主梁悬臂与次梁悬臂的包络设计的包络设计（3）结构设计中需要进行包络设计的构件很多，如：连梁的包络设计、次梁梁端与主梁的垂直连接、次梁梁端与剪力墙平面外连接等。工程设计行业新资质就位全面启动日前，住房和城乡建设部颁发《关于工程设计资质证书更换新证有关问题的通知》，该行业企业将按新资质标准重新就位。通知要求，自2010年4月1日起启用新版证书，届时，所有旧版工程设计资质证书全部作废。早在2007年3月，新版的《工程设计资质标准》(以下简称“新标准”)正式公布，《建设工程勘察设计企业资质管理规定》(以下简称“新部令”)也进行了相应修订。为了实现平稳衔接，设定3年的过渡期，并规定新申请资质的企业按新标准进行申报，尚未到期的资质证书继续有效。本次换证工作，涉及仍在有效期范围的工程设计资质证书(包括行业、行业部分、主导工艺、专项、专业事务所、综合事务所资质以及前述各类暂定资质)均属更换换证范围。凡申报工程设计甲级资质换证以及铁路、交通、水利、信息产业、民航等方面的工程设计乙级资质换证的单位，由省建设行政主管部门初审后，将初审意见和申报材料报国务院建设行政主管部门核准。凡申报工程设计乙级及以下(涉及铁路、交通、水利、信息产业、民航等方面的工程设计乙级资质除外)的单位，由省辖市建设行政主管部门初审后，报省建设行政主管部门核准。暂时达不到新《标准》要求资质的企业，应在2010年1月31日前提出换证申请。